RU2299924C1 - Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния - Google Patents
Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2299924C1 RU2299924C1 RU2005128652/02A RU2005128652A RU2299924C1 RU 2299924 C1 RU2299924 C1 RU 2299924C1 RU 2005128652/02 A RU2005128652/02 A RU 2005128652/02A RU 2005128652 A RU2005128652 A RU 2005128652A RU 2299924 C1 RU2299924 C1 RU 2299924C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- melt
- rolling
- temperature
- magnesium
- aluminum
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к литейному и прокатному производству. Получают конструкционный материал из сплава на основе алюминия, содержащий компоненты при следующих соотношениях, вес.%: магний 9,0-11,0, цирконий 0,15-0,2, кобальт 0,01-0,001, бериллий 0,001-0,02, бор 0,005-0,007, алюминий - остальное. Кристаллизацию расплава производят во вращающемся кристаллизаторе при коэффициенте гравитации, равном 220-250, и при времени жизни расплава, равном 12-15 с/кг. Слиток подвергают термообработке и прокатке. Сначала его нагревают в течение 2-4 часов при температуре 340-380°С, затем при этой температуре производят его горячую прокатку до толщины 4-8 мм со степенью деформации в каждом цикле до 30% и окончательной температурой подката в пределах 310-330°С. Затем производят холодную прокатку подката со степенью деформации в каждом цикле до 50% с промежуточными отжигами в течение 0,5-2,0 часов при температуре 310-390°С до требуемой толщины 0,5-2,0 мм и производят окончательный отжиг проката в течение 5-40 минут при температуре 400-450°С. Способ позволяет произвести и повысить прочность, пластичность и технологичность конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния 9-11 вес.%. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.,1 табл.
Description
Изобретение относится к литейному и прокатному производству. Существующие способы получения конструкционных материалов для автомобильной промышленности базируются в целом на использовании традиционного метода получения слитков из сплавов на основе алюминия с магнием, литием, цинком и т.д. и их поката.
Основные требования к конструкционным материалам для автомобилестроения состоят в необходимости иметь предел прочности 300-400 МПа, относительное удлинение 30-40% и плотность не выше 2,65 г/куб. см, хорошую свариваемость, коррозионную стойкость.
В настоящее время нет сплавов, одновременно удовлетворяющих этим требованиям. Существующие литиевые сплавы, подходящие по плотности, не пригодны по прочностным, пластическим свойствам и из-за невозможности сваливаться, остальные сплавы не применимы по аналогичным мотивам. Прокат из магниевых сплавов достаточно прочен, однако удовлетворение требованиям по плотности возможно лишь при содержании магния более 9%. В настоящее время не существует технологий получения проката из сплавов с содержанием магния более 5-6%.
Известен сплав на основе алюминия АМГ5 (ГОСТ 478961) и способ его использования. Сплав, при этом, имеет следующий химический состав (вес %):
магний | 4,8-5,5 |
марганец | 0,3-0,6 |
титан | 0,1-0,2 |
железо | 0,5-0,6 |
кремний | 0,1-0,2 |
алюминий | Остальное |
Прокат из АМГ5 находит широкое применение в авиационной, судостроительной промышленности и производится по традиционной технологии, подробно описанной в работе «Производство фольги». Черняк С.Н., Карасевич В.И., Коваленко П.А., изд-во «Металлургия», М, 1968 г. Получение слитков из АМГ5 производится полунепрерывным способом. Исходя из этого существует естественный предел растворимости магния в матрице слитка. Избыток магния образует вокруг зерна блокирующую его хрупкую эвтектику, которая и определяет конечные пластические свойства слитка, сплава. Кроме этого, наличие параболических фронтов кристаллизации приводит при поликристаллическом строении к отсутствию единой кристаллографической ориентации, то есть к различной пластичности по сечениям слитка как на макро-, так и на микроуровне. В целом, уровень пластичности по этой причине снижается, как минимум, вдвое. Следствием этого является низкая технологичность при прокате, что связано еще и с нестабильностью твердого раствора, с наличием крупных интерметаллидных фаз. Пластичность сплава характеризуется относительным удлинением до 4-6%, что явно не удовлетворяет требованиям автомобильной промышленности.
Близкие по используемому химическому составу сплавов АЛ8, АЛ27 технологии (ГОСТ 2685-75) позволяют получить коррозионно-стойкие отливки, прочность которых может быть повышена термической обработкой. Данные технологии, однако, позволяют получить лишь литье из этих сплавов. Эти технологии также, в принципе, не позволяют обеспечить пластичность слитков из сплавов с содержанием магния около 10%, что и привело к их классифицированию как литейных.
В основу данного изобретения положена задача создания способа производства конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния 9-11%, включающего получение слитка, термообработку, прокат, который обеспечил бы повышение прочности, пластичности проката и повысил бы технологичность получения листового материала.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении физических характеристик материала на основе алюминия с содержанием магния около 10% за счет перевода литейного сплава в конструкционный.
Для лучшего понимания изобретения приведены иллюстрации, на которых:
на фиг.1 схематично показаны нормированные зависимости Таммана;
на фиг.2 приведена зависимость относительного переохлаждения от коэффициента гравитации Kg.
Поставленная задача решена созданием способа получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния 9-11%, включающего получение слитка, термообработку, прокат, в котором с целью повышения уровня механических свойств сплав содержит дополнительно цирконий, кобальт, бериллий, бор при следующих весовых соотношениях ингредиентов (%):
магний | 9,0-11,0 |
цирконий | 0,15-0,2 |
кобальт | 0,01-0,001 |
бериллий | 0,001-0,02 |
бор | 0,005-0,007 |
алюминий | Остальное. |
Кристаллизацию производят во вращающемся кристаллизаторе при коэффициенте гравитации, равном 220-250, и при времени жизни расплава, равном 12-15 с/кг.
Термообработку и прокат производят по следующему алгоритму:
а) слиток, в зависимости от его размеров, нагревают для горячей прокатки в течение 2-4 часов при температуре 340-380°С;
б) при начальной температуре слитка 340-380°С производят его горячую прокатку до толщины 4-8 мм со степенью деформации в каждом цикле до 30%. Окончательная температура подката должна находиться в пределах 310-330°С;
в) далее производят холодную прокатку подката со степенью деформации в каждом цикле до 50% с промежуточными отжигами в течение 0,5-2,0 часов при температуре 310-390°С до требуемых толщин 0,5-2,0 мм;
г) производят окончательный отжиг проката в течение 5-40 минут при температуре 400-450°С.
Предлагаемый способ основан на использовании новых физических явлений, сопровождающих кристаллизацию расплавов в мощных гравитационных полях центрифуг. В целом, воздействие таких полей сводится к следующему:
а) утрируются диффузионные процессы в любых многокомпонентных расплавах, что приводит к получению твердых растворов типа внедрения-замещения с минимальным выделением эвтектики. Причем, все-таки сформировавшаяся эвтектика минимизируется по объему и коагулируется в разобщенные образования, не блокирующие зерно матрицы;
б) отливка, слиток даже при поликристаллическом строении имеет доминирующую кристаллографическую ориентацию в заданном направлении, составляющую не менее 80-85% от всех возможных ориентировок.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет решить поставленную задачу по созданию конструкционного материала на алюминиевой основе с содержанием магния в пределах 9-11% и проката из него.
Предлагаемый, согласно изобретению, способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния 9-11% на стадии получения слитка реализуется во вращающемся кристаллизаторе, конструкция которого зависит от требуемой формы слитка, его массы. При этом теплофизические условия кристаллизации определяются определенным образом выполненной конструкцией футеровки и кристаллизатора.
Заявляемый согласно изобретению способ осуществим во вращающемся кристаллизаторе, обеспечивающем следующие условия:
- для получения монокристаллической структуры и сопутствующего рафинирования кристаллизацию расплава проводят в силовом поле центрифуг с коэффициентом гравитации, обеспечивающим создание адекватного переохлаждения в расплаве и равным разнице оптимального значения переохлаждения, соответствующего максимуму линейной скорости роста кристалла с интервалом метастабильности роста, которая определяется выражением:
где
А, В, L, М - технические параметры (коэффициенты), из которых числовое значение В определяется, исходя из термодинамических характеристик кристаллизатора, определяющих скорость протекания теплопроцессов, а числовые значения А, L, М определяются физико-химическими характеристиками металлов;
Kg - коэффициент гравитации;
Т - температура кристаллизации;
ΔТ0 - переохлаждения расплава, полученные опытным путем.
При выращивании монокристаллов и рафинировании расплава, последний объемно охлаждают со скоростью 0,02-0,08°С/с.
Для объяснения сути предлагаемого способа рассмотрим кривые Таммана (фиг.1).
Первая кривая V(ΔT) описывает изменение линейной скорости роста кристаллов в зависимости от создаваемых в расплаве переохлаждений ΔТ.
Вторая кривая n(ΔТ) описывает изменение скорости зародышеобразования в зависимости от ΔТ.
Различному уровню Z обеих зависимостей соответствуют переохлаждения и , называемые интервалами метастабильности роста и зародышеобразования.
Естественно предположить, что максимально эффективен тот способ получения моноструктур, который обеспечивает создание в расплаве переохлаждений, равных во все время роста. С помощью любым способом организованных неравномерных тепловых полей эта задача в принципе не может быть реализована из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации, из-за непрерывного изменения величины теплового сопротивления растущего монокристалла, из-за невозможности точно знать координаты фронта кристаллизации (далее - ФК).
В этой связи авторы в ходе проведенных аналитических и экспериментальных исследований определили детерминированную зависимость ΔT от Kg:
где
А, В, L, М - технические параметры (коэффициенты), из которых числовое значение В определяется, исходя из термодинамических характеристик кристаллизатора, определяющих скорость протекания теплопроцессов, а числовые значения А, L, М определяются физико-химическими характеристиками металлов;
Kg - коэффициент гравитации;
Т - температура кристаллизации;
ΔТ0 - переохлаждения расплава, полученные опытным путем.
Числовые значения технических параметров - коэффициентов А, L, М для разных металлов следующие:
алюминий | медь | никель | |
А | 81×10 | 192×10 | 644×10 |
L | 2,997×10 | 9,879×10 | 9,879×10 |
М | 2,997×10 | 9,879×10 | 9,879×10 |
Вывод последних выражений опускается.
Имея в виду выражение (1), координата ΔT в зависимостях Таммана может быть заменена на Kg (фиг.1). Отсюда следует, что создав значения Kg, равные Kopt, будет выращена моно- или квазимоноструктура из расплава с произвольным начальным количеством зародышей, кластеров с теоретически возможной скоростью. Так, в некоторых экспериментах авторы имели дело при выращивании монокристалла арсенида галлия со скоростью 10-15 см/с.
Геометрически зависимость (1) представляет собой для всех металлов возрастающую гиперболу с увеличением Kg.
Для наглядности (фиг.2) рассмотрим два графика, полученные расчетным путем и являющиеся зависимостями относительного переохлаждения от Kg при разных значениях ΔТ0. Кривые рассчитаны по формуле:
где ΔT - определено выражением (1);
ΔТ0,5 - естественное переохлаждение расплава, равное 0,5°С.
Из графиков видно, что независимо от начального переохлаждения максимальный эффект применения способа наблюдается при значении Kg=300.
Следует отметить следующее.
Экспериментальные исследования кристаллизующихся моделей металлов типа «салол» показывают, что значение производной ∂V(ΔT)/∂Т не могут быть меньше 10-102. Это обстоятельство, как будет доказано далее, имеет огромное значение.
Положим, расплав, находящийся в центрифуге при определенном значении , медленно охлаждается до создания естественного переохлаждения ΔТ0=ΔТμ, то есть в расплаве создаются условия, достаточные для начала линейного роста кристалла от любой подложки.
Учитывая, что коэффициент гравитации адекватен переохлаждению , можно определить степень увеличения скорости линейного роста монокристалла при данных обстоятельствах:
Допуская даже такое обстоятельство, что в центрифуге создается неравномерным силовым полем адекватное переохлаждение в 1°С, из (4) очевидно, что абсолютное значение увеличения линейной скорости роста монокристалла равно ΔV≈10 мм/с.
Таким образом, используя приведенный физический механизм влияния силового поля на кристаллизующийся расплав, можно выращивать монокристаллы с необычно высокими скоростями. Следует отметить три обстоятельства:
во-первых, коэффициент гравитации идентичен в любых точках расплава, равноудаленных от оси вращения, что обеспечивает абсолютно плоские ФК;
во-вторых, воздействие повышенной гравитации приводит к резкому уменьшению двухфазной зоны, что обеспечивает гораздо более эффективную очистку (рафинирование) расплава;
в-третьих, наличие повышенной гравитации приводит к резкому уменьшению интервала метастабильности роста и оптимального значения величины переохлаждения , соответствующего максимальному значению линейной скорости роста монокристаллов.
В основе изобретения стоит аналитически рассчитанный и экспериментально подтвержденный эффект влияния гравитационных полей на кристаллизирующийся расплав с точки зрения ориентации кристаллографических осей решетки.
Рассмотрим подробнее данное физическое явление.
Для анализа складывающейся кристаллографической ориентации затвердевающего расплава в любых силовых полях проникающего типа (гравитационные, ультразвуковые и т.д.), ее необходимо рассмотреть в динамике усилия, действующего на зародыш, а затем и на кристаллит (зерно) в расплаве при наличии внешнего поля неравномерно-распределенной силы F(xк, n).
Рассмотрим кристаллит, находящийся у какой-либо опоры (фронт кристаллизации, подложка) и деформирующийся под действием этой силы F(xк, n).
Положим, данный кристаллит имеет с одного торца жесткую опору. Уравнение равновесия в данном случае имеет вид:
где σik - тензор напряжения;
х, у, z - координаты;
ρ - плотность;
Mзар - масса зародыша.
При выводе приняты следующие граничные условия:
- тензоры напряжений на боковых поверхностях σik равны нулю, кроме σxx;
- на свободном торце кристаллита длиной x=L имеем
σxz=σyz=σzz=0
Свободная энергия может быть представлена в виде:
где εik - тензор деформации, равный SikLm×σLm;
SikLm - константы упругой податливости;
σik - символ Кронекера.
Отсюда поверхностная энергия всего кристаллита равна:
Для дальнейшего вывода положим:
E≈Sxxxx
Так как модуль Юнга, соответствующий направлению Х (вдоль продольной оси кристаллита), равен:
то
Положим, кристаллографическая плоскость hkL перпендикулярна оси ОХ, тогда имеем:
где
Для всех металлов, кроме молибдена, для которого S11-S12-S44/2<0, величина 1/Ех имеет минимум для плоскости (III).
Таким образом, направление (III) при его совпадении с вектором действия силы F(xк, П) должно быть предпочтительнее всех остальных. Этот вывод позволяет однозначно признать тот факт, что заторможенный в расплаве кристаллит ориентируется в направлении действия F(xк, П) независимо от типа расплава и исходных предпосылок к росту осями (III).
Заторможенный кристаллит - это выросший, искаженный из сферической формы зародыш в почти эллипсоид, присоединенный к ячеистому фронту кристаллизации.
В принципе, ориентация кристаллографических осей в растущем зародыше, кроме действия силы F(xк, П), происходит задолго до его присоединения к фронту кристаллизации в ходе его сепарирования в расплаве с переменной вязкостью в направлении действия силы F(xк, П).
Направление абсолютного минимума упругой энергии решетки - это максимально удобная ситуация для последующей деформации твердого тела с минимумом внешних усилий со стороны, например, прокатного стана. Это особенно важно в данном случае с пересыщенным твердым раствором магния в алюминии, так как данный сплав обладает повышенной прочностью.
Данный способ был многократно проверен и согласно его рекомендациям было изготовлено несколько сотен килограмм проката толщиной 2 мм, 1 мм, 0,5 мм, 0,1 мм. Полученный прокат был исследован в лабораторных условиях. Результаты исследований приведены в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что при соблюдении заявляемых параметров предлагаемого способа и при использовании сплава с содержанием магния около 10% обеспечивается наилучшее сочетание прочности и пластичности.
Таблица 1 | |||||
Параметры испытания | Толщина проката, мм | Концентрация магния, % | |||
2,0 | 1,0 | 0,5 | 0,1 | ||
Предел прочности, МПа | 320-380 | 320-380 | 325-380 | 330-390 | 9 |
330-400 | 330-400 | 330-410 | 330-420 | 10 | |
330-390 | 330-390 | 320-390 | 325-380 | 11 | |
Относительное удлинение, % | 30-40 | 32-40 | 32-40 | 32-40 | 9 |
32-40 | 32-40 | 32-40 | 33-40 | 10 | |
31-38 | 30-37 | 30-36 | 30-36 | 11 |
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как может быть реализовано с использованием вращающегося кристаллизатора, представляющего собой известное устройство, а результат достигается изменением условий получения сплава. Настоящее изобретение может быть использовано для получения из сплава АМГ10 конструкционных материалов практически любой толщины. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано при производстве проката для кузовов автомобилей и его силовых фрагментов.
Claims (2)
1. Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния, включающий кристаллизацию расплава для получения слитка, его термообработку и прокатку, отличающийся тем, что для получения конструкционного материала из сплава с содержанием ингредиентов при следующих весовых соотношениях, %:
кристаллизацию расплава производят во вращающемся кристаллизаторе при коэффициенте гравитации, равном 220-250, и при времени жизни расплава, равном 12-15 с/кг.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при термообработке и прокатке слитка сначала нагревают слиток в течение 2-4 ч при температуре 340-380°С, затем при этой температуре производят его горячую прокатку до толщины 4-8 мм со степенью деформации в каждом цикле до 30% и окончательной температурой подката в пределах 310-330°С, затем производят холодную прокатку подката со степенью деформации в каждом цикле до 50% с промежуточными отжигами в течение 0,5-2,0 ч при температуре 310-390°С до требуемой толщины 0,5-2,0 мм и производят окончательный отжиг проката в течение 5-40 мин при температуре 400-450°С.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005128652/02A RU2299924C1 (ru) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005128652/02A RU2299924C1 (ru) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2299924C1 true RU2299924C1 (ru) | 2007-05-27 |
Family
ID=38310694
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005128652/02A RU2299924C1 (ru) | 2005-09-15 | 2005-09-15 | Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2299924C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011031183A1 (ru) * | 2009-09-14 | 2011-03-17 | Anisimov Oleg Vladimirovich | Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия |
DE212009000126U1 (de) | 2008-09-30 | 2011-12-20 | Nikolay N. Skaldin | Kristallisator |
-
2005
- 2005-09-15 RU RU2005128652/02A patent/RU2299924C1/ru active IP Right Revival
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE212009000126U1 (de) | 2008-09-30 | 2011-12-20 | Nikolay N. Skaldin | Kristallisator |
WO2011031183A1 (ru) * | 2009-09-14 | 2011-03-17 | Anisimov Oleg Vladimirovich | Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109136506A (zh) | 一种用于抑制铝合金型材粗晶环的加工方法及铝合金型材 | |
Chen et al. | Microstructure evolution and tensile mechanical properties of thixoformed high performance Al-Zn-Mg-Cu alloy | |
Milman et al. | Microstructure and mechanical properties of cast and wrought Al-Zn-Mg-Cu alloys modified with Zr and Sc | |
CN114182147B (zh) | 一种高强高导热镁合金及其制备方法 | |
JP2010018875A (ja) | 高強度アルミニウム合金、高強度アルミニウム合金鋳物の製造方法および高強度アルミニウム合金部材の製造方法 | |
CN108220741B (zh) | 一种生物医用高熵合金及其制备方法 | |
TW200304496A (en) | Method of manufacturing magnesium alloy products | |
Shahbeigi Roodposhti et al. | Effects of microstructure and processing methods on creep behavior of AZ91 magnesium alloy | |
WO2008091174A1 (fr) | Procédé de fabrication d'un matériau de construction à partir d'un alliage à base d'aluminium contenant du magnésium | |
Park et al. | Development of wrought Mg alloys via strip casting | |
CN102418147A (zh) | 高强度且完全抗氧化的第三代单晶高温合金及制备方法 | |
Xia et al. | Tensile properties of Ti–48Al–2Cr–2Nb alloy having similarly oriented lamellae with fine lamellar spacing facilitated by suction casting | |
RU2380453C2 (ru) | Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния | |
JP6594663B2 (ja) | 耐熱性マグネシウム鋳造合金とその製造方法 | |
Li et al. | Effect of different temperatures on deformation characteristics of AZ31 magnesium alloy by continuous variable cross-section direct extrusion | |
RU2299924C1 (ru) | Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия с содержанием магния | |
Lavasani et al. | Texture analysis and development of ultrafine grained structure during thermo-mechanical treatment in a gamma-TiAl intermetallic | |
Nie et al. | Study on the erbium strengthened aluminum alloy | |
Fan et al. | Castable aluminium alloys for high temperature applications | |
Tang et al. | Mechanical properties and microstructure of magnesium-aluminum based alloys containing strontium | |
JP2011162883A (ja) | 高強度アルミニウム合金、高強度アルミニウム合金鋳物の製造方法および高強度アルミニウム合金部材の製造方法 | |
CN112941379A (zh) | 一种用于生产模具的铝合金板及其制备工艺 | |
Hu et al. | Investigation on microstructures and properties of semi-solid Al80Mg5Li5Zn5Cu5 light-weight high-entropy alloy during isothermal heat treatment process | |
WO2011031183A1 (ru) | Способ получения конструкционного материала из сплава на основе алюминия | |
Li et al. | Analysis on the hot deformation flow stress curves of novel 6082 aluminium alloys with Mn addition |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070916 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20090610 |
|
PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20100226 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160907 |